Konsep Dasar Komputer (Bagian 2)

1.1.5. Sistem Operasi Terdistribusi dan Terkluster

Melaksanakan komputasi secara terdistribusi diantara beberapa prosesor.
Hanya saja komputasinya bersifat loosely coupled system yaitu setiap prosesor mempunyai local memory sendiri. Komunikasi terjadi melalui bus atau jalur telepon. Keuntungannya hampir sama dengan prosesor jamak, multiprocessor, yaitu adanya pembagian sumber daya dan komputasi lebih cepat. Namun, pada distributed system juga terdapat keuntungan lain, yaitu memungkinkan komunikasi antar komputer. Sistem terdistribusi merupakan kebalikan dari Sistem Operasi Prosesor Jamak. Pada sistem tersebut, setiap prosesor memiliki memori lokal tersendiri. Kumpulan prosesornya saling berinteraksi melalui saluran komunikasi seperti LAN dan WAN menggunakan protokol standar seperti TCP/IP. Karena saling berkomunikasi, kumpulan prosesor tersebut mampu saling berbagi beban kerja, data, serta sumber daya lainnya. Namun, keduanya berbagi keunggulan yang serupa seperti dibahas sebelum ini. Terdapat sekurangnya tiga model dalam sistem terdistribusi ini. Pertama, sistem client/server yang membagi jaringan berdasarkan pemberi dan penerima jasa layanan. Pada sebuah jaringan akan didapatkan: file server, time server, directory server, printer server, dan seterusnya. Kedua, sistem point to point dimana sistem dapat sekali gus berfungsi sebagai client mau pun server. Terakhir sistem terkluster, yaitu beberapa sistem komputer yang digabungkan untuk mendapatkan derajat kehandalan yang lebih baik. Sistem operasi tersebut diatas, ialah NetOS/Distributed OS. Contoh penerapan Distributed System: Small Area Network (SAN), Local Area Network (LAN), Metropolitan Area Network (MAN), Online Service (OL)/Outernet, Wide Area Network (WAN)/Internet.

Gambar 1-5. Distributed System

Sistem kluster ialah gabungan dari beberapa sistem individual (komputer) yang dikumpulkan pada suatu lokasi, saling berbagi tempat penyimpanan data (storage), dan saling terhubung dalam jaringan lokal (Local Area Network). Sistem kluster memiliki persamaan dengan sistem paralel dalam hal menggabungkan beberapa CPU untuk meningkatkan kinerja komputasi. Jika salah satu mesin mengalami masalah dalam menjalankan tugas maka mesin lain dapat mengambil alih pelaksanaan tugas itu. Dengan demikian, sistem akan lebih andal dan fault tolerant dalam melakukan komputasi. Dalam hal jaringan, sistem kluster mirip dengan sistem terdistribusi (distributed system). Bedanya, jika jaringan pada sistem terdistribusi melingkupi komputer-komputer yang lokasinya tersebar maka jaringan pada sistem kluster menghubungkan banyak komputer yang dikumpulkan dalam satu tempat. Dalam ruang lingkup jaringan lokal, sistem kluster memiliki beberapa model dalam pelaksanaannya: asimetris dan simetris. Kedua model ini berbeda dalam hal pengawasan mesin yang sedang bekerja. Pengawasan dalam model asimetris menempatkan suatu mesin yang tidak melakukan kegiatan apapun selain bersiap-siaga mengawasi mesin yang bekerja. Jika mesin itu mengalami masalah maka pengawas akan segera mengambil alih tugasnya. Mesin yang khusus bertindak pengawas ini tidak diterapkan dalam model simetris. Sebagai gantinya, mesin-mesin yang melakukan komputasi saling mengawasi keadaan mereka. Mesin lain akan mengambil alih tugas mesin yang sedang mengalami masalah. Jika dilihat dari segi efisiensi penggunaan mesin, model simetris lebih unggul daripada model asimetris. Hal ini disebabkan terdapat mesin yang tidak melakukan kegiatan apapun selain mengawasi mesin lain pada model asimetris. Mesin yang ’menganggur’ ini dimanfaatkan untuk melakukan komputasi pada model simetris. Inilah yang membuat model simetris lebih efisien. Isu yang menarik tentang sistem kluster ialah bagaimana mengatur mesin-mesin penyusun sistem dalam berbagi tempat penyimpanan data (storage). Untuk saat ini, biasanya sistem kluster hanya terdiri dari dua hingga empat mesin berhubung kerumitan dalam mengatur akses mesin-mesin ini ke tempat penyimpanan data. Isu di atas juga berkembang menjadi bagaimana menerapkan sistem kluster secara paralel atau dalam jaringan yang lebih luas (Wide Area Network). Hal penting yang berkaitan dengan penerapan sistem kluster secara paralel ialah kemampuan mesin-mesin penyusun sistem untuk mengakses data di storage secara serentak. Berbagai

software khusus dikembangkan untuk mendukung kemampuan itu karena kebanyakan sistem operasi tidak menyediakan fasilitas yang memadai. Salah satu contoh perangkat-lunak-nya-nya ialah Oracle Parallel Server yang khusus didesain untuk sistem kluster paralel. Seiring dengan perkembangan pesat teknologi kluster, sistim kluster diharapkan tidak lagi terbatas pada sekumpulan mesin pada satu lokasi yang terhubung dalam jaringan lokal. Riset dan penelitian sedang dilakukan agar pada suatu saat sistem kluster dapat melingkupi berbagai mesin yang tersebar di seluruh belahan dunia. Komputasi model terbaru ini juga berbasis jaringan dengan clustered system. Digunakan super computer untuk melakukan komputasinya. Pada model ini komputasi dikembangkan melalui pc-farm. Perbedaan yang nyata dengan komputasi berbasis jaringan ialah bahwa komputasi berbasis grid dilakukan bersama-sama seperti sebuah multiprocessor dan tidak hanya melakukan pertukaran data seperti pada komputasi berbasis jaringan.

1.1.6. Sistem Operasi Waktu Nyata

Sistem waktu nyata (Real Time Systems) ialah suatu sistem yang mengharuskan suatu komputasi selesai dalam jangka waktu tertentu. Jika komputasi ternyata belum selesai maka sistem dianggap gagal dalam melakukan tugasnya. Sistem waktu nyata memiliki dua model dalam pelaksanaannya: hard real time system dan soft real time system.

Hard real time system menjamin suatu proses yang paling penting dalam sistem akan selesai dalam jangka waktu yang valid. Jaminan waktu yang ketat ini berdampak pada operasi dan perangkat keras (hardware) yang mendukung sistem. Operasi I/O dalam sistem, seperti akses data ke storage, harus selesai dalam jangka waktu tertentu. Dari segi (hardware), memori jangka pendek (short-term memory) atau read-only memory (ROM) menggantikan hard-disk sebagai tempat penyimpanan data. Kedua jenis memori ini dapat mempertahankan data mereka tanpa suplai energi. Ketatnya aturan waktu dan keterbatasan hardware dalam sistem ini membuat ia sulit untuk dikombinasikan dengan sistem lain, seperti sistim multiprosesor dengan sistem time-sharing.

Soft real time system tidak memberlakukan aturan waktu seketat hard real time system. Namun, sistem ini menjamin bahwa suatu proses terpenting selalu mendapat prioritas tertinggi untuk diselesaikan diantara proses-proses lainnya. Sama halnya dengan hard real time system, berbagai operasi dalam sistem tetap harus ada batas waktu maksimum.

Aplikasi sistem waktu nyata banyak digunakan dalam bidang penelitian ilmiah, sistem pencitraan medis, sistem kontrol industri, dan industri peralatan rumah tangga. Dalam bidang pencitraan medis, sistem kontrol industri, dan industri peralatan rumah tangga, model waktu nyata yang banyak digunakan ialah model hard real time system. Sedangkan dalam bidang penelitian ilmiah dan bidang lain yang sejenis digunakan model soft real time system. Menurut Morgan [MORG92], terdapat sekurangnya lima karakteristik dari sebuah sistem waktu nyata :

ü  Deterministik, dapat ditebak berapa waktu yang dipergunakan untuk mengeksekusi operasi.

ü  Responsif, kapan secara pasti eksekusi dimulai serta diakhiri.

ü  Kendali pengguna, dengan menyediakan pilihan lebih banyak daripada sistem operasi biasa.

ü  Kehandalan, sehingga dapat menanggulangi masalah-masalah pengecualian dengan derajat tertentu.

ü  Penanganan kegagalan, agar sistem tidak langsung crash.

1.1.7. Aspek Lain Sistem Operasi

Masih terdapat banyak aspek sistem operasi yang lain; yang kurang cocok diuraikan dalam bab pendahuluan ini. Sebagai penutup dari sub-pokok bahasan ini; akan disinggung secara singkat perihal :

• Sistem Multimedia

• Embeded System

• Komputasi Berbasis Jaringan

• PDA dan Telepon Seluler

• Smart Card

Sistem MultiMedia

Sistem multimedia merupakan sistem yang mendukung sekali gus berbagai medium seperti gambar tidak bergerak, video (gambar bergerak), data teks, suara, dan seterusnya. Sistem operasi yang mendukung multimedia seharusnya memiliki karakteristik sebagai berikut :

v  Handal: para pengguna tidak akan gembira jika sistem terlalu sering crash/tidak handal.

v  Sistem Berkas: ukuran berkas multimedia cenderung sangat besar. Sebagai gambaran, berkas video dalam format MPEG dengan durasi 60 menit akan berukuran sekitar 650 MBytes. Untuk itu, diperlukan sistem operasi yang mampu menangani berkas-berkas dengan ukuran tersebut secara efektif dan efisien.

v  Bandwidth: diperlukan bandwidth (ukuran saluran data) yang besar untuk multimedia.

v  Waktu Nyata (Real Time): selain bandwidth yang besar, berkas multimedia harus disampaikan secara lancar berkesinambungan, serta tidak terputus-putus. Walau pun demikian, terdapat toleransi tertentu terhadap kualitas gambar/suara (soft real time).

Embeded System:

Komputasi embedded melibatkan komputer embedded yang menjalankan tugasnya secara real-time. Lingkungan komputasi ini banyak ditemui pada bidang industri, penelitian ilmiah, dan lain sebagainya. Mengacu pada sistem komputer yang bertugas mengendalikan tugas spesifik dari suatu alat seperti mesin cuci digital, tv digital, radio digital. Terbatas dan hampir tak memiliki user-interface. Biasanya melakukan tugasnya secara real-time merupakan sistem paling banyak dipakai dalam kehidupan.

Komputasi Berbasis Jaringan

Pada awalnya komputasi tradisional hanya meliputi penggunaan komputer meja (desktop) untuk pemakaian pribadi di kantor atau di rumah. Namun, seiring dengan perkembangan teknologi maka komputasi tradisional sekarang sudah meliputi penggunaan teknologi jaringan yang diterapkan mulai dari desktop hingga sistem genggam. Perubahan yang begitu drastis ini membuat batas antara komputasi tradisional dan komputasi berbasis jaringan sudah tidak jelas lagi. Komputasi berbasis jaringan menyediakan fasilitas pengaksesan data yang luas oleh berbagai perangkat elektronik. Akses tersedia asalkan perangkat elektronik itu terhubung dalam jaringan, baik dengan kabel maupun nirkabel.

PDA dan Telepon Seluler

Secara umum, keterbatasan yang dimiliki oleh sistem genggam sesuai dengan kegunaan/layanan yang disediakan. Sistem genggam biasanya dimanfaatkan untuk hal-hal yang membutuhkan portabilitas suatu mesin seperti kamera, alat komunikasi, MP3 Player dan lain lain. Sistem genggam ialah sebutan untuk komputer-komputer dengan kemampuan tertentu, serta berukuran kecil sehingga dapat digenggam. Beberapa contoh dari sistem ini ialah Palm Pilots, PDA, dan telepon seluler. Isu yang berkembang tentang sistem genggam ialah bagaimana merancang perangkat lunak dan perangkat keras yang sesuai dengan ukurannya yang kecil. Dari sisi perangkat lunak, hambatan yang muncul ialah ukuran memori yang terbatas dan ukuran monitor yang kecil. Kebanyakan sistem genggam pada saat ini memiliki memori berukuran 512 KB hingga 8 MB. Dengan ukuran memori yang begitu kecil jika dibandingkan dengan PC, sistem operasi dan aplikasi yang diperuntukkan untuk sistem genggam harus dapat memanfaatkan memori secara efisien. Selain itu mereka juga harus dirancang agar dapat ditampilkan secara optimal pada layar yang berukuran sekitar 5 x 3 inci. Dari sisi perangkat keras, hambatan yang muncul ialah penggunaan sumber tenaga untuk pemberdayaan sistem. Tantangan yang muncul ialah menciptakan sumber tenaga (misalnya baterai) dengan ukuran kecil tapi berkapasitas besar atau merancang hardware dengan konsumsi sumber tenaga yang sedikit.

Smart Card

Smart Card (Kartu Pintar) merupakan sistem komputer dengan ukuran kartu nama. Kemampuan komputasi dan kapasitas memori sistem ini sangat terbatas sehingga optimasi merupakan hal yang paling memerlukan perhatian. Umumnya, sistem ini digunakan untuk menyimpan informasi rahasia untuk mengakses sistem lain. Umpamanya, telepon seluler, kartu pengenal, kartu bank, kartu kredit, sistem wireless, uang elektronis, dst. Dewasa ini (2004), smart card dilengkapi dengan prosesor 8 bit (5 MHz), 24 kB ROM, 16 kB EEPROM, dan 1 kB RAM. Namun kemampuan ini meningkat drastis dari waktu ke waktu.

1.2 Struktur Sistem Komputer

Tidak ada suatu ketentuan khusus tentang bagaimana seharusnya struktur sistem sebuah komputer. Setiap ahli dan desainer arsitektur komputer memiliki pandangannya masing-masing. Akan tetapi, untuk mempermudah kita memahami detail dari sistem operasi di bab-bab berikutnya, kita perlu memiliki pengetahuan umum tentang struktur sistem komputer. Secara umum, sistem komputer terdiri atas CPU dan sejumlah device controller yang terhubung melalui sebuah bus yang menyediakan akses ke memori. Umumnya, setiap device controller bertanggung jawab atas sebuah hardware spesisfik. Setiap device dan CPU dapat beroperasi secara konkuren untuk mendapatkan akses ke memori. Adanya beberapa hardware ini dapat menyebabkan masalah sinkronisasi. Karena itu untuk mencegahnya sebuah memory controller ditambahkan untuk sinkronisasi akses memori.

Pada sistem komputer yang lebih maju, arsitekturnya lebih kompleks. Untuk meningkatkan performa, digunakan beberapa buah bus. Tiap bus merupakan jalur data antara beberapa device yang berbeda. Dengan cara ini RAM, Prosesor, GPU (VGA AGP) dihubungkan oleh bus utama berkecepatan tinggi yang lebih dikenal dengan nama FSB (Front Side Bus). Sementara perangkat lain yang lebih lambat dihubungkan oleh bus yang berkecepatan lebih rendah yang terhubung dengan bus lain yang lebih cepat sampai ke bus utama. Untuk komunikasi antar bus ini digunakan sebuah bridge.

Gambar 1-6. Arsitektur Umum Komputer

Tanggung jawab sinkronisasi bus yang secara tak langsung juga mempengaruhi sinkronisasi memori dilakukan oleh sebuah bus controller atau dikenal sebagai bus master. Bus master akan mengendalikan aliran data hingga pada satu waktu, bus hanya berisi data dari satu buah device. Pada prakteknya bridge dan bus master ini disatukan dalam sebuah chipset.

NB: GPU = Graphics Processing Unit; AGP = Accelerated Graphics Port; HDD = Hard Disk Drive; FDD = Floppy Disk Drive; FSB = Front Side Bus; USB = Universal Serial Bus; PCI = Peripheral Component Interconnect; RTC = Real Time Clock; PATA = Pararel Advanced Technology Attachment; SATA = Serial Advanced Technology Attachment; ISA = Industry Standard Architecture; IDE = Intelligent Drive Electronics/Integrated Drive Electronics; MCA = Micro Channel Architecture; PS/2 = Sebuah port yang dibangun IBM untuk menghubungkan mouse ke PC;

Jika komputer dinyalakan, yang dikenal dengan nama booting, komputer akan menjalankan bootstrap program yaitu sebuah program sederhana yang disimpan dalam ROM yang berbentuk chip CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor). Chip CMOS modern biasanya bertipe Electrically Erasable Programmable Read Only Memory (EEPROM), yaitu memori non-volatile (tak terhapus jika power dimatikan) yang dapat ditulis dan dihapus dengan pulsa elektronik. Lalu bootsrap program ini lebih dikenal sebagai BIOS (Basic Input Output System). Bootstrap program utama, yang biasanya terletak di motherboard akan memeriksa perangkat keras utama dan melakukan inisialisasi terhadap program dalam hardware yang dikenal dengan nama firmware. Bootstrap program utama kemudian akan mencari dan meload kernel sistem operasi ke memori lalu dilanjutkan dengan inisialisasi sistem operasi. Dari sini program sistem operasi akan menunggu kejadian tertentu. Kejadian ini akan menentukan apa yang akan dilakukan sistem operasi berikutnya (event-driven).

Gambar 1-7. Arsitektur PC Modern

Kejadian ini pada komputer modern biasanya ditandai dengan munculnya interrupt dari software atau hardware, sehingga Sistem Operasi ini disebut Interrupt-driven. Interrupt dari hardware biasanya dikirimkan melalui suatu signal tertentu, sedangkan software mengirim interrupt dengan cara menjalankan system call atau juga dikenal dengan istilah monitor call. System/Monitor call ini akan menyebabkan trap yaitu interrupt khusus yang dihasilkan oleh software karena adanya masalah atau permintaan terhadap layanan sistem operasi. Trap ini juga sering disebut sebagai exception. Setiap interrupt terjadi, sekumpulan kode yang dikenal sebagai ISR (Interrupt Service Routine) akan menentukan tindakan yang akan diambil. Untuk menentukan tindakan yang harus dilakukan, dapat dilakukan dengan dua cara yaitu polling yang membuat komputer memeriksa satu demi satu perangkat yang ada untuk menyelidiki sumber interrupt dan dengan cara menggunakan alamat-alamat ISR yang disimpan dalam array yang dikenal sebagai interrupt vector di mana sistem akan memeriksa Interrupt Vector setiap kali interrupt terjadi. Arsitektur interrupt harus mampu untuk menyimpan alamat instruksi yang di-interrupt. Pada komputer lama, alamat ini disimpan di tempat tertentu yang tetap, sedangkan padakomputer baru, alamat itu disimpan di stack bersama-sama dengan informasi state saat itu.

RANGKUMAN

Sistem operasi telah berkembang selama lebih dari 40 tahun dengan dua tujuan utama. Pertama, sistem operasi mencoba mengatur aktivitas-aktivitas komputasi untuk memastikan pendayagunaan yang baik dari sistem komputasi tersebut. Kedua, menyediakan lingkungan yang nyaman untuk pengembangan dan jalankan dari program.

Pada awalnya, sistem komputer digunakan dari depan konsol. Perangkat lunak seperti assembler, loader, linker dan compiler meningkatkan kenyamanan dari sistem pemrograman, tapi juga memerlukan waktu set-up yang banyak. Untuk mengurangi waktu set-up tersebut, digunakan jasa operator dan menggabungkan tugas-tugas yang sama (sistem batch).

Sistem batch mengizinkan pengurutan tugas secara otomatis dengan menggunakan sistem operasi yang resident dan memberikan peningkatan yang cukup besar dalam utilisasi komputer. Komputer tidak perlu lagi menunggu operasi oleh pengguna. Tapi utilisasi CPU tetap saja rendah. Hal ini dikarenakan lambatnya kecepatan alat-alat untuk I/O relatif terhadap kecepatan CPU. Operasi off-line dari alat-alat yang lambat bertujuan untuk menggunakan beberapa sistem reader-to-tape dan tape-to-printer untuk satu CPU. Untuk meningkatkan keseluruhan kemampuan dari sistem komputer, para developer memperkenalkan konsep multiprogramming. Dengan multiprogramming, beberapa tugas disimpan dalam memori dalam satu waktu; CPU digunakan secara bergantian sehingga menambah utilisasi CPU dan mengurangi total waktu yang dibutuhkan untuk menyelesaikan tugas-tugas tersebut. Multiprogramming, yang dibuat untuk meningkatkan kemampuan, juga mengizinkan time sharing.

Sistem operasi yang bersifat time-shared memperbolehkan banyak pengguna untuk menggunakan komputer secara interaktif pada saat yang bersamaan. PC adalah mikrokomputer yang dianggap lebih kecil dan lebih murah dibandingkan komputer mainframe. Sistem operasi untuk komputer-komputer seperti ini diuntungkan oleh pengembangan sistem operasi untuk komputer mainframe dalam beberapa hal. Namun, semenjak penggunaan komputer untuk keperluan pribadi, maka utilisasi CPU tidak lagi menjadi perhatian utama. Karena itu, beberapa desain untuk komputer mainframe tidak cocok untuk sistem yang lebih kecil.

Paralel System mempunyai lebih dari satu CPU yang mempunyai hubungan yang erat; CPU-CPU tersebut berbagi bus komputer, dan kadang-kadang berbagi memori dan perangkat yang lainnya. Sistem seperti itu dapat meningkatkan throughput dan reliabilititas.

Sistem hard real-time sering kali digunakan sebagai alat pengontrol untuk applikasi yang dedicated. Sistem operasi yang hard real-time mempunyai batasan waktu yang tetap yang sudah didefinisikan dengan baik.Pemrosesan harus selesai dalam batasan-batasan yang sudah didefinisikan, atau sistem akan gagal. Sistem soft real-time mempunyai lebih sedikit batasan waktu yang keras, dan tidak mendukung penjadualan dengan menggunakan batas akhir. Pengaruh dari internet dan World Wide Web (WWW) baru-baru ini telah mendorong pengembangan sistem operasi modern yang menyertakan web browser serta perangkat lunak jaringan dan komunikasi sebagai satu kesatuan. Multiprogramming dan sistem time-sharing meningkatkan kemampuan komputer dengan melampaui batas operasi (overlap) CPU dan I/O dalam satu mesin. Hal seperti itu memerlukan perpindahan data antara CPU dan alat I/O, ditangani baik dengan polling atau interrupt-drivenakses ke I/O port, atau dengan perpindahan DMA. Agar komputer dapat menjalankan suatu program, maka program tersebut harus berada di memori utama (main memory). Memori utama adalah satu-satunya tempat penyimpanan yang besar yang dapat diakses secara langsung oleh prosessor, merupakan suatu array dari word atau byte, yang mempunyai ukuran ratusan sampai jutaan ribu. Setiap word memiliki alamatnya sendiri. Memori utama adalah tempat penyimpanan yang volatile, dimana isinya hilang bila sumber energinya (energi listrik) dimatikan. Kebanyakan sistem komputer menyediakan secondary storage sebagai perluasan dari memori utama. Syarat utama dari secondary storage adalah dapat menyimpan data dalam jumlah besar secara permanen. Secondary storage yang paling umum adalah disk magnetik, yang meyediakan penyimpanan untuk program mau pun data. Disk magnetik adalah alat penyimpanan data yang nonvolatile yang juga menyediakan akses secara random. Tape magnetik digunakan terutama untuk backup, penyimpanan informasi yang jarang digunakan, dan sebagai media pemindahan informasi dari satu sistem ke sistem yang lain. Beragam sistem penyimpanan dalam sistem komputer dapat d isusun dalam hirarki berdasarkan kecepatan dan biayanya. Tingkat yang paling atas adalah yang paling mahal, tapi cepat. Semakin kebawah, biaya per bit menurun, sedangkan waktu aksesnya semakin bertambah (semakin lambat).

Sistem operasi harus memastikan operasi yang benar dari sistem komputer. Untuk mencegah pengguna program mengganggu operasi yang berjalan dalam sistem, perangkat keras mempunyai dua mode: mode pengguna dan mode monitor. Beberapa perintah (seperti perintah I/O dan perintah halt) adalah perintah khusus, dan hanya dapat dijalankan dalam mode monitor. Memori juga harus dilindungi dari modifikasi oleh pengguna. Timer mencegah terjadinya pengulangan secara terus menerus (infinite loop). Hal-hal tersebut (dual mode, perintah khusus, pengaman memori, timer interrupt) adalah blok bangunan dasar yang digunakan oleh sistem operasi untuk mencapai operasi yang sesuai.